BIOXICAT — Catalyseurs d’oxydation bio-inspirés pour une chimie plus respectueuse de l’environnement

L’objectif principal de ce projet est de créer des catalyseurs d’oxydation capables d’utiliser directement le dioxygène de l’air et de fonctionner de façon catalytique dans des conditions douces. Les procédés d’oxydation exploités actuellement dans l’industrie chimique utilisent des conditions particulièrement dures en termes de température et de pression, combinées avec des oxydants puissants et des catalyseurs potentiellement nocifs pour l’environnement. Ainsi, dans le contexte actuel d’un développement durable, les industries sont obligées de revoir leurs procédés d’oxydation et de développer de nouveaux procédés plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, la nature a développé un élégant procédé pour catalyser ces réactions d’oxydation. Elle utilise des systèmes enzymatiques dont la sous-unité catalytique permet l’activation réductrice de l’oxygène moléculaire au niveau d’ion(s) ferreux, et dont la sous-unité réductrice apporte les électrons nécessaires à la régénération des ions ferreux à chaque cycle catalytique. La création de catalyseurs bio-inspirés, mimant l’activité de ces enzymes, permettrait le développement de nouveaux procédés d’oxydation éco-compatibles qui permettraient aux industries de s’inscrire dans une politique de développement durable. De nombreuses recherches ont déjà été menées pour essayer de reproduire l’activité de ces enzymes, et les complexes de fer ainsi synthétisés ont permis de mieux comprendre l’activation réductrice du dioxygène. Cependant, la création de catalyseurs capable de produire de nombreux cycles catalytique reste inachevée due à l’absence d’apport régulier et précis d’électron au centre métallique. C’est dans ce contexte que nous envisageons de développer des systèmes catalytiques prenant en considération les deux caractéristiques principales de ces enzymes : (i) l’activation réductrice du dioxygène et (ii) l’apport d’électrons au centre métallique. Pour ce faire, nous prévoyons de nous inspirer des systèmes biologiques en développant des catalyseurs macromoléculaires composés de complexes de fer, pour activer le dioxygène, et de cofacteurs rédox permettant un apport d’électrons régulier et spécifique vers ces complexes de fer. Ces deux cofacteurs seront maintenus en proximité par interaction avec un polymère soluble dans l’eau, qui générera également un environnement localement hydrophobe comparable celui trouvé au niveau de la poche enzymatique. Le polymère que nous avons choisi est un polyethylèneimine, soluble dans l’eau, qui peut être facilement fonctionnalisé par des chaines aliphatique et des groupements ioniques organiques. L’incorporation des complexes de fer, par interaction électrostatique avec ce polymère, devrait générer des catalyseurs macromoléculaires, dont l’étude de la réactivité avec H2O2 devrait fournir des informations importantes sur l’effet du micro-environnement au cours de la catalyse d’oxydation. La substitution du polymère par des groupements chiraux pour raégalement conduire à la création de catalyseurs macromoléculaires stéréosélectifs de nouvelle génération. Par la suite, l’incorporation de groupements rédox, de type flavinique, au sein du polymère devrait permettre un approvisionnement régulier en électron et ainsi permettre au système de réaliser de multiples cycles catalytiques. Ces systèmes seront enfin évalués sur différents substrats et devraient constituer, à terme, de bons candidats pour le développement de nouveaux procédés éco-compatibles.